《Journal of Biological Chemistry》：Control of the committed step in lipopolysaccharide biosynthesis
脂多糖（LPS)是大多数革兰氏阴性菌外膜(OM)的基本组成成分。其维持包膜完整性并形成通透性屏障，保护细胞免受环境胁迫、宿主防御及多种抗生素的侵害。脂多糖生物合成必须严格调控，以确保外膜正确组装的同时防止中间产物的毒性积累。该调控的核心是LpxC，一种催化脂多糖生物合成限定步骤（committed step)的去乙酰化酶，其决定代谢通量进入该途径。在大肠杆菌（Escherichia coli)中，LpxC丰度主要由膜结合型AAA+蛋白酶FtsH介导的蛋白水解控制。该过程受两种基本膜蛋白LapB和YejM的调控。LapB作为衔接蛋白(adaptor)促进LpxC降解，而YejM则作为抗衔接蛋白(anti-adaptor)拮抗该活性。通过该调控网络，脂多糖生物合成多个阶段的信号，连同其他细胞包膜生物合成途径的输入，被整合以维持脂多糖稳态。除蛋白水解控制之外，新证据表明LpxC酶活性亦可被调控。研究人员在此总结了大肠杆菌中LpxC调控机制的现有认识，并强调尚未解决的问题。进一步阐明这些调控机制可能为抗生素开发提供新机遇。
## 引言
革兰氏阴性菌具有由两层膜构成的细胞包膜：细胞质膜或内膜（IM）以及外膜（OM）。两层膜之间为周质空间，其中含有薄层肽聚糖（PG)。外膜为非对称脂双层，外小叶含有脂多糖（LPS），朝向周质的内小叶则为磷脂。脂多糖是大多数革兰氏阴性菌的基本糖脂，由三个结构区域组成：类脂A（lipid A)、核心寡糖和O-抗原。外膜作为选择性通透屏障，限制疏水性化合物和大型亲水性分子的进入；该屏障特性主要归因于脂多糖，其在维持细胞包膜选择性通透性和机械稳定性方面发挥核心作用。
## 脂多糖合成与转运概述
脂多糖合成起始于细胞质，在内膜细胞质面继续进行，形成类脂A-核心前体。类脂A生物合成途径在革兰氏阴性菌中高度保守，以大肠杆菌中研究最为深入。该途径始于LpxA催化的酰基链转移反应，将R-3-羟基豆蔻酰基-酰基载体蛋白（ACP)转移至尿苷-5'-二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc)。这些底物亦被其他基本包膜生物合成途径共享：R-3-羟基豆蔻酰基-ACP是磷脂合成的中间体，而UDP-GlcNAc则是肽聚糖生物合成的前体。由于LpxA催化的反应可逆且热力学上不利，途径通量主要由该途径的第二种酶LpxC决定。
LpxC为去乙酰化酶，催化从UDP-3-O-酰基-GlcNAc的乙酰基移除反应。结构上，LpxC由两个同源结构域通过连接区相连。尽管序列保守性有限，两个结构域均具有相似的折叠，由β-折叠和两个α-螺旋组成。结构域以α-螺旋夹于两个β-折叠之间的方式包装。每个结构域还含有称为插入区（insertion)的特征性亚结构域，为LpxC酶所特有。插入区I位于结构域I，由三个β-链形成的小型反平行β-折叠组成；插入区II位于结构域II，采用β-α-β结构基序。催化性锌离子位于两个结构域界面，形成溶剂暴露的活性位点。紧邻催化中心，由插入区II形成的疏水隧道容纳底物的酰基链，贡献底物特异性。
后续类脂A合成步骤由LpxD、LpxH和LpxB催化，产生类脂A二糖中间体。LpxK随后磷酸化远端葡糖胺的4'-羟基，生成类脂IV
A，一种四酰化二糖1,4'-双磷酸。3-脱氧-D-甘露-辛酮糖酸（KDO)转移酶WaaA（亦称KdtA)向类脂IV
A添加KDO残基，晚期酰基转移酶LpxL和LpxM引入次级酰基链形成KDO
2-类脂A。KDO
2-类脂A代表大肠杆菌在大多数条件下存活所需的最小脂多糖结构。其后，核心寡糖通过相应糖基转移酶添加至组装完整的类脂A-核心，该结构由翻转酶MsbA翻转至内膜周质面，WaaL连接O-抗原。完整脂多糖分子随后通过脂多糖转运（Lpt）系统跨周质空间转运并插入外膜。
脂多糖合成不足和过量均具有致死性，凸显严格调控脂多糖合成的必要性。合成不足和/或转运受损会损害外膜完整性并削弱通透屏障，而过量合成则导致脂多糖在IM中毒性积累。
## 动态蛋白水解开关：FtsH/LapB/YejM途径对LpxC的调控
在发现LpxC催化脂多糖生物合成限定步骤后，研究者观察到导致类脂A合成降低的条件（如lpxA或lpxD的部分功能丧失突变）引起LpxC去乙酰化酶活性显著升高，而该途径中其他五种酶的活性无明显变化。这些发现为脂多糖生物合成中的反馈控制提供了强有力证据，并确立LpxC为控制途径通量的主要调控节点。动力学分析揭示活性升高主要源于V
max提高，而K
M变化甚微；这种增强的酶活性归因于LpxC蛋白水平的升高而非催化效率的改变。lpxC转录并未增加，表明转录后调控——特别是蛋白质降解——在控制LpxC丰度中起关键作用。
1999年，Ogura等证明编码基本膜结合型AAA+蛋白酶的ftsH温度敏感突变在非允许温度下导致LpxC积累。FtsH是大肠杆菌中唯一的基本AAA+蛋白酶，可降解多种蛋白质底物。其由N-端跨膜（TM）/周质结构域、中央ATPase结构域和C-端蛋白酶结构域组成。FtsH组装为六聚体，ATPase结构域利用ATP水解的能量解折叠蛋白质底物，解折叠的多肽随后被穿入由C-端蛋白酶结构域形成的隐蔽腔室中进行降解。同一研究进一步证明纯化的FtsH可直接在体外降解LpxC，确立FtsH为负责LpxC周转和细胞丰度决定的主要蛋白酶。
随后，两种额外的基本膜蛋白LapB（原名YciM）和YejM（沙门氏菌中称PbgA）被鉴定为LpxC降解的关键调控因子。ftsH、lapB和yejM基因在大肠杆菌中的必需性凸显了严格控制LpxC丰度以维持脂多糖稳态的关键重要性。
LapB含有单个N-端跨膜螺旋、九个细胞质TPR（四肽重复）和一个C-端铁氧还蛋白结构域。LapB形成平面架构的同二聚体。2014年，Reddy实验室鉴定lapB（yciM）为必需基因，提出LapB作为衔接蛋白通过特异性招募LpxC至FtsH进行降解的功能。Raina实验室的工作独立支持了LapB加速LpxC降解的作用，并分离出仅在特定条件下存活的lapB缺失突变体，该突变体表现严重生长缺陷及脂多糖合成的多效性缺陷，由此将LapB命名为脂多糖组装蛋白B。
YejM为由五个N-端跨膜螺旋、连接区和一个大型周质结构域组成的膜蛋白。遗传分析表明YejM调控脂多糖合成。携带yejM下游提前终止密码子的大肠杆菌LH530菌株产生截短YejM变异体并合成减少量的脂多糖。YejM的完全缺失具有致死性。沙门氏菌YejM（PbgA)最初被提议为心磷脂转运蛋白，但后续遗传分析修正了这一解释，转而将YejM与脂多糖合成调控相联系。
2020年，四个研究组独立报告：拯救yejM截短或缺失的抑制突变反复映射至ftsH、lapB或lpxC，汇聚于功能丧失减少细胞LpxC量并导致大肠杆菌细胞死亡的结论。Silhavy实验室证明YejM通过调控FtsH/LapB机制稳定LpxC，并显示在携带lpxC101（降低去乙酰化酶活性）的菌株构建的lapB缺失背景下yejM不再必需，提示YejM作用于LapB上游。Bernhardt实验室独立证明YejM拮抗LpxC降解并与LapB物理相互作用，进一步支持YejM调控FtsH/LapB介导的LpxC蛋白水解的模型。
生化与结构分析提供了更多机制性洞见。早期YejM晶体结构的解读受其作为心磷脂转运蛋白提议角色的引导，错误地将结合的脂密度鉴定为心磷脂。2020年，Rutherford等报道了大肠杆菌YejM/脂多糖结构，证明先前分配的"心磷脂"密度实际对应于脂多糖。结构揭示YejM的周质连接区与类脂A还原端衍生的葡糖胺1-磷酸相互作用，提示YejM感知内膜周质小叶脂多糖积累的模型。源自该连接区的肽段特异性结合脂多糖，支持该感知模型。
与此同时，含有纯化FtsH、LapB和YejM的重组蛋白脂质体系统被用于测量膜脂环境中的体外LpxC降解动力学。研究表明LapB作为衔接蛋白增强LpxC降解，通过提高其对FtsH的亲和力实现。进一步生化分析揭示LapB的跨膜螺旋为与FtsH相互作用所需，而其细胞质结构域招募LpxC。LapB细胞质结构域/LpxC复合物的冷冻电镜结构证明LapB二聚体招募两个LpxC分子。此外，YejM/LapB复合物结构揭示两个YejM分子夹住LapB跨膜螺旋，与YejM作为抗衔接蛋白将LapB从FtsH隔离的角色一致。YejM/脂多糖和YejM/LapB复合物的结构叠合显示脂多糖和LapB结合YejM的重叠位点，表明二者竞争YejM结合。
综合这些生化和结构发现，研究者提出了大肠杆菌中由细胞脂多糖水平调控的LpxC降解模型。当脂多糖含量低时，YejM隔离LapB，限制FtsH对LpxC的降解并维持高LpxC丰度以促进脂多糖合成。当脂多糖在内膜周质小叶积累时，脂多糖结合YejM破坏YejM/LapB复合物。释放的LapB随后与FtsH结合，刺激LpxC降解并降低其丰度，从而减少脂多糖合成。该模型为通过调控LpxC丰度反馈控制脂多糖水平提供了机制性解释。由于该模型主要源自体外和结构研究，需要进一步的体内分析加以验证，因一些报告提示YejM和LapB组成性形成复合物。
## 超越简单抗衔接蛋白/衔接蛋白框架：YejM和LapB在脂多糖稳态中的扩展作用
YejM和LapB作为LpxC降解关键调控因子的鉴定是该领域的重大进展。然而，积累的证据表明，YejM和LapB除作为抗衔接蛋白和衔接蛋白的角色外还具有额外的调控功能，凸显了脂多糖合成调控的复杂性。
在当前模型中，YejM通过其跨膜螺旋与LapB相互作用发挥抗衔接蛋白功能。然而，YejM周质结构域的缺失降低大肠杆菌中LpxC和脂多糖量，尽管该结构域不参与LapB结合，提示YejM周质结构域在调控脂多糖合成中发挥额外的、尚未明确的作用。一些遗传发现进一步挑战YejM仅作为抗衔接蛋白的概念。Misra组显示LapB点突变（L95R或A126V)拯救YejM截短；值得注意的是，这些突变体中LapB蛋白不可检测，有效模拟lapB无效等位基因。Raina组报告截短YejM（lapC377fs)抑制lapB缺失相关致死性。这些遗传关系难以与YejM仅通过物理相互作用与LapB发挥功能的模型协调，提示YejM的作用超越仅仅调控LapB可及性，可能涉及其周质结构域的其他功能。
YejM周质结构域与水解酶超家族成员具有结构相似性，包括修饰类脂A的磷酰乙醇胺转移酶EptA和革兰氏阳性菌中的脂磷壁酸合成酶LtaS。YejM周质结构域中鉴定到镁离子结合位点，表现磷酸酶活性。尽管推测活性位点位于周质结构域，仅全长YejM显示镁依赖性磷酸酶活性，而分离的周质结构域活性显著降低。YejM的生理底物仍未知。仅全长YejM表现磷酸酶活性的观察提示其底物可能位于膜中，可能为脂质底物。亦有提议YejM周质结构域可能通过与FtsH直接相互作用调控脂多糖合成；然而，体内数据不支持稳定的YejM-FtsH相互作用。明确YejM周质结构域的功能，如鉴定其潜在底物和结合伴侣，可能为其在脂多糖稳态中的更广泛角色提供洞见。
LapB作为衔接蛋白调控大肠杆菌脂多糖合成的功能现已明确确立，然而有研究表明LapB在维持脂多糖稳态中具有额外作用。Raina组分离的大肠杆菌lapB缺失突变体产生升高的脂多糖水平，富含异质性类脂A-核心种类，包括五酰化类脂A和不完全组装的核心结构，提示LapB可能具有作为FtsH衔接蛋白之外的功能。一种可能解释是ΔlapB背景下LpxC积累增加类脂A合成通量并压倒下游酶。然而，ΔlapB的抑制突变映射至编码核心寡糖组装糖基转移酶的waaC基因和waaQ操纵子，表明LapB协调类脂A合成与核心寡糖组装，从而偶联脂多糖两个区域的生物合成。
LapB含有C-端铁氧还蛋白结构域，通常与电子转移相关。LapB细胞质结构域/LpxC复合物的结构分析表明铁氧还蛋白结构域紧邻LpxC底物结合位点，由此发现LapB直接抑制LpxC去乙酰化酶活性。铁氧还蛋白结构域与LpxC的邻近性提出细胞质氧化还原状态可能调控LpxC活性并从而将细胞氧化还原状态与脂多糖合成相偶联的机制。这种机制可为细菌细胞协调脂多糖生物发生与改变细胞氧化还原平衡的代谢或呼吸状态提供途径。探索氧化还原信号如何可能影响LpcB功能可能因此揭示将包膜生物发生与细胞生理学相联系的新原理。
最后，研究内膜蛋白复合物HflKC（在蛋白质质量控制细胞应激反应中起重要作用）与FtsH相互作用的近期结构研究揭示HflKC以笼状结构包围FtsH。因此，即使LapB招募LpxC后，FtsH对蛋白水解的可及性本身也可能受到额外调控。综合这些结构、遗传和生化观察，FtsH/LapB/YejM途径对脂多糖合成的调控涉及超越简单抗衔接蛋白/衔接蛋白范式的多层调控。
## 多位点监控：脂多糖合成与转运的空间控制
由于脂多糖分子穿越三个不同细胞位置——在内膜细胞质面合成、翻转至周质面、随后直接转运至外膜外小叶——大肠杆菌在多位点监控脂多糖状态，并采用不同机制在每个位置感知脂多糖。在内膜细胞质面，早期类脂A中间体提供反馈信号调控LpxC降解。在内膜周质面，脂多糖浓度较低，YejM检测脂多糖丰度的微小波动。相反，外膜外小叶含有大量脂多糖储备，使直接感知脂多糖水平微小变化变得困难；因此，大肠杆菌通过检测磷脂错误定位间接监控外膜完整性。源自这些位置的信号最终汇聚调控LpxC丰度并调整脂多糖合成。
在内膜细胞质面，类脂A-核心被合成。代谢物依赖性反馈的最初证据在确立LpxC为类脂A合成限定步骤酶的同研究报告中提出。途径前三种酶的抑制导致LpxC积累，而KDO合成所需CMP-KDO合成酶KdsB的抑制导致类脂IV
A积累而不改变LpxC丰度，提示早期类脂A中间体而非下游产物如类脂IV
A介导LpxC降解的反馈调控。Emiola等发展了整合类脂A合成九种酶的定量模型，提出类脂A二糖（由LpxB产生、LpxK消耗)可能作为信号分子。与该模型一致，LpxK过表达稳定LpxC，推测因增强的LpxK活性降低细胞内类脂A二糖水平。
完全组装的类脂A-核心被翻转至内膜周质面后，脂多糖被快速转运至外膜，使其在该位点稳态浓度保持较低。因此，该位置脂多糖浓度的适度波动可被更容易检测。该位点脂多糖水平也可作为协调脂多糖合成与下游转运的敏感指标，防止输出受限时脂多糖中间体积累。在当前调控LpxC降解的模型中，YejM感知内膜周质面的脂多糖积累并调控LpxC降解。
外膜外小叶含有大量脂多糖，形成大且相对稳定的储备，可能限制脂多糖水平微小波动的直接感知。因此，大肠杆菌通过检测磷脂错误定位监控外膜完整性。Silhavy组鉴定了显性mlaA*突变体（mlaA编码通常阻止磷脂进入外小叶的Mla系统组分），其允许磷脂进入外小叶，破坏外膜不对称性并导致细胞质中LpxC增加。进一步遗传分析表明LpxC积累依赖于外膜磷脂酶PldA，其水解错误定位的磷脂产生溶血磷脂和自由脂肪酸。这些脂肪酸被转运回细胞质并由FadD活化形成酰基辅酶A（acy-CoA），进而促进LpxC积累。Misra实验室也报告在yejM截短背景（yejM1163)中pldA缺失导致生长缺陷，支持pldA与yejM之间的遗传相互作用。近期，PldA介导磷脂水解的另一产物溶血磷脂被发现抑制磷脂合成，提供了重新平衡脂多糖和磷脂生物合成的互补机制。
源自外膜和内膜细胞质面的信号被认为汇聚于FtsH/LapB/YejM调控系统，尽管直接实验验证仍然有限。若所有调控输入确实汇聚于该系统，一个重要问题是化学性质不同的潜在信号分子（如类脂A二糖和酰基辅酶A)如何被检测并用于调控LpxC降解。FtsH/LapB/YejM系统跨越细胞质、内膜和周质，其位置有利于整合来自多个区室的信号。然而，不能排除检测信号并将其传递至该调控模块的额外未知蛋白。
当来自不同位置的多种信号调控LpxC降解时，另一个关键问题是如何整合冲突输入。例如，KDO合成抑制导致脂多糖中间体类脂IV
A积累，而完全组装脂多糖减少；然而，LpxC丰度保持不变，与LpxC量应升高以恢复完全组装脂多糖的预期相反。类似地，LptD耗竭破坏外膜脂质不对称性，预期应升高LpxC丰度以刺激脂多糖合成（如mlaA*背景中观察到的），但LpcC量反而降低，可能因脂多糖在内膜周质面积累触发增强的LpxC周转。这些观察表明存在信号等级体系。源自细胞质面的信号似乎占主导，其次是源自内膜周质面的信号，而外膜来源信号可能处于从属地位。该等级体系可能使细胞在恢复外膜屏障完整性之前防止潜在毒性中间体积累。阐明这些空间分布的信号如何整合仍是理解LpxC调控和脂多糖稳态的核心挑战。
## 代谢偶联：平衡脂多糖和磷脂合成
维持外膜脂质不对称性需要脂多糖和磷脂合成之间的紧密协调。两条途径共用脂肪酸前体R-3-羟基豆蔻酰基-ACP的池，该前体可直接掺入脂多糖或进一步延长为长链酰基-ACP（如棕榈酰基-ACP)用于磷脂生产。稳态时，细胞脂多糖/磷脂比值约为0.12，对应约四分之一合成脂肪酸掺入脂多糖。大肠杆菌如何实现这种酰基通量的平衡分配一直是该领域的长期问题。
遗传和生化研究已确立FabZ与LpxC之间的协调作为偶联磷脂和脂多糖合成的主要机制。FabZ是脂肪酸生物合成途径中基本的β-羟酰基-ACP脱水酶，与LpxA竞争R-3-羟基豆蔻酰基-ACP。与功能偶联一致，fabZ与类脂A生物合成基因（lpxD、lpxA和lpxB)位于同一操纵子。FabZ最初由Raetz组鉴定，其报道降低脱水酶活性的fabZ点突变抑制携带温度敏感lpxA2等位基因菌株在42°C的细胞生长缺陷。他们进一步证明降低的FabZ活性也抑制损害LpxC去乙酰化功能的lpxC突变（如envA1)。Misra实验室在研究外膜蛋白组装时观察到相似结果，鉴定出回复低形态lpxC等位基因（如asmB1)表型的fabZ突变。随后Ogura等报告功能获得性fabZ突变（如sfhC21)抑制过量积累LpxC并过量产生脂多糖的ftsH温度敏感突变体的致死性。支持这些发现，Zhou实验室证明对LpxC抑制剂抗性主要源于fabZ突变，其中降低的脱水酶活性促进大肠杆菌在LpxC抑制条件下的存活。这些遗传相互作用与R-3-羟基豆蔻酰基-ACP分支点的底物竞争一致：降低的FabZ活性增加类脂A合成的底物可利用性，补偿降低的LpxA或LpxC功能。相反，高活性FabZ将更多R-3-羟基豆蔻酰基-ACP导向脂肪酸延伸并掺入磷脂，在LpxC升高条件下限制底物可利用性。这些结果共同支持调控R-3-羟基豆蔻酰基-ACP通量以平衡脂多糖和磷脂合成的模型。
除底物竞争外，多项研究证明脂肪酸合成酶（特别是FabZ)调控LpxC稳定性。功能获得性fabZ突变稳定LpxC，导致较高细胞LpxC丰度和去乙酰化酶活性，而低形态fabZ突变降低LpxC水平，从而降低细胞活性。其他脂肪酸酶的扰动也调控LpxC细胞丰度。具体而言，LpxC在温度敏感菌株JP1111 [fabI(Ts)]和CY288 [fabF, fabB(Ts)]中稳定。相反，FabA、FabD、FabF或转录调控因子FadR的过表达据报道加速LpxC降解，尽管该观察在LpxC过表达背景下获得，可能不反映生理性调控。
研究人员尝试用脂多糖途径通量调控LpxC蛋白水解的反馈模型解释这些发现：增强的通量增加脂多糖中间体从而促进LpxC降解，而降低的通量稳定LpxC。尽管该框架解释许多观察，但显然不能解释所有实验结果。例如，大肠杆菌编码两种β-羟酰基-ACP脱水酶FabZ和FabA。尽管两种纯化酶在体外对R-3-羟基豆蔻酰基-ACP表现出可比的活性，恢复脂多糖稳态的遗传抑制因子反复映射至fabZ而非fabA。此外，增加的FabZ活性稳定LpxC，而FabA过表达据报道加速LpxC降解。然而，FabA过表达效应应谨慎解读，因该研究在LpxC过表达背景下进行。这些区别表明FabZ在协调磷脂和脂多糖合成中具有超越单纯底物竞争的独特作用。
鉴于底物竞争和脂多糖合成的简单反馈模型不能完全解释FabZ对LpxC的影响，FabZ活性如何通过额外机制影响LpxC稳定性？新证据提示FtsH/LapB/YejM系统可能直接感知源自脂肪酸和磷脂合成的信号，除脂多糖中间体外。例如，参与磷脂合成的甘油-3-磷酸酰基转移酶PlsY在内源性YejM免疫沉淀物中被鉴定，表明磷脂合成酶与YejM在脂多糖合成调控中的直接相互作用。类似地，酰基载体蛋白合成酶AcpT的过表达抑制yejM无效突变体的致死性。由于催化失活的AcpT保留这种抑制效应，拯救不太可能依赖其在脂质代谢中的酶学角色，反而提示脂肪酸途径组分与FtsH/LapB/YejM调控系统之间的功能联系。一种引人注意的可能性是内膜的磷脂组成调控FtsH/LapB/YejM途径中动态复合物的形成和解离。YejM/LapB蛋白复合物的冷冻电镜结构证明其相互作用由磷脂介导，提示局部膜环境直接贡献于LpxC降解的调控。在该框架内，脂肪酸合成的改变可能重塑内膜磷脂组成，从而影响YejM/LapB复合物形成并最终影响LpxC周转。该假说为磷脂稳态如何与受调控的LpxC降解相偶联提供了机制上合理的解释，代表了未来研究的有兴趣方向。
磷脂和脂多糖之间的调控关系似乎主要是单向的：改变FabZ活性调控LpxC丰度从而其去乙酰化酶活性，而报道的LpxC突变不显著影响细胞FabZ脱水酶活性。这种明显的不对称性可能反映代谢等级体系，其中大多数脂肪酸掺入磷脂，允许磷脂合成设定整体酰基通量步伐而脂多糖合成相应调整。与此观点一致，Bokinsky实验室证明磷脂合成根据细胞生长速率调整，而脂多糖产生间接受R-3-羟基豆蔻酰基-ACP可利用性调控。他们进一步鉴定启动磷脂合成的甘油-3-磷酸酰基转移酶PlsB为酰基通量分配的关键决定因子，而LpxC水平在不同细胞生长速率下保持相对恒定。该观察与先前声称LpxC降解速率随细胞生长速率变化的报告形成对比；值得注意的是，那些实验使用过表达LpxC进行，而Bokinsky研究检测内源水平LpxC。综合这些发现支持磷脂合成主要决定大肠杆菌脂多糖产生的模型。
## 脂多糖和肽聚糖合成的协调：与LpxC调控的联系
除其作为通透性屏障的公认作用外，外膜因其对机械负荷承载和细胞形态发生的贡献而日益受到重视——这些过程传统上主要归因于肽聚糖。自早期阐明脂多糖生物合成途径以来，Raetz等即认识到脂多糖和肽聚糖合共享共同前体UDP-GlcNAc。与脂多糖和磷脂合成之间的平衡类似，UDP-GlcNAc在脂多糖和肽聚糖途径之间的分配必须严格控制。然而，与FabZ和LpxC之间已确立的偶联相比，关于脂多糖和肽聚糖合成如何协调的认识相对有限。
Bernhardt实验室近期研究提供了将肽聚糖合成与大肠杆菌LpxC调控相联系的首批证据。大肠杆菌杆状形态的维持依赖于Rod复合物（elongasome），一种协调细胞延长期间侧向肽聚糖合成的多蛋白机器。该复合物由形成沿内膜动态丝并引导细胞壁合成的肌动蛋白同源物MreB组织，包括MreC、MreD、RodA和转肽酶PBP2等基本组分，共同催化聚糖聚合和交联。Rod复合物功能的扰动——无论是通过MreB抑制剂A22处理还是通过MreC低形态突变——均导致LpxC丰度降低和脂多糖水平减少。该效应是否通过FtsH/LapB/YejM蛋白水解途径介导仍不清楚。mreC突变体的形态缺陷可通过ftsH或lapB突变增加LpxC水平部分拯救，为脂多糖对细胞形态发生的功能性贡献提供了证据。同样，该关系似乎是单向的：降低的Rod复合物活性降低LpxC丰度，而升高的LpxC水平不影响Rod复合物活性。这种不对称性提示在这些条件下肽聚糖合成可能在决定脂多糖产生中发挥主导作用。
与大量关于脂多糖和磷脂合成协调的工作相比，大肠杆菌中连接脂多糖和肽聚糖生物发生的机制仍了解甚少。阐明这两种基本生物合成途径如何整合，代表了未来研究的重要领域。
## LpxC酶活性的控制：新兴范式
通常，代谢通量可通过调控酶丰度或酶活性进行调节。对于LpxC，大肠杆菌中酶丰度的控制已主导该领域数十年，而LpxC去乙酰化酶活性的直接调控直至近期才受到关注。除其作为FtsH介导LpxC降解的衔接蛋白的公认作用外，LapB近期被证明可在体外直接抑制LpxC酶活性，尽管该抑制是否有助于体内脂多糖合成的调控仍有待确定。这一发现提示LpcC活性的调控可能与蛋白水解控制并行运作，为调节脂多糖合成提供额外层次。
由于LapB的两种功能——作为促进LpxC降解的衔接蛋白和作为LpxC酶活性的直接抑制剂——最终均降低脂多糖水平，大肠杆菌进化出看似冗余的系统是值得关注的。这两种功能如何协调调控脂多糖合成仍不清楚。在不同生理条件下哪种功能占主导，以及它们对细胞生长状态、包膜应激或代谢状态的相对贡献如何变化？原则上，酶活性抑制可提供快速、可逆的控制，而通过蛋白水解调控LpxC丰度可能施加对流途径通量的较长期调整。分离LapB衔接蛋白和抑制功能的实验策略，如结构域特异性突变，对于剖析这些机制如何单独和共同维持脂多糖稳态至关重要。
通过蛋白质-蛋白质相互作用调控LpxC活性不限于大肠杆菌，抑制也并非唯一结果。Bernhardt组近期发现铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa)中的MurA可刺激LpxC去乙酰化酶活性——在大肠杆菌中未观察到该效应。这些观察表明LbxC酶活性的调控（无论是刺激性还是抑制性）代表了一种新监管机制。该机制可能反映了一种更广泛的、先前未被充分认识的策略，用于协调脂多糖合成与包膜生物发生。
LapB抑制LpxC去乙酰化酶活性的机制仍未知，鉴于其治疗潜力阐明该机制是重要目标。LpxC长期以来被认为是 promising 的抗菌靶点，大部分工作集中于开发靶向其催化中心的抑制剂。代表性抑制剂如首个高亲和力广谱抑制剂CHIR-090，通常包含螯合催化锌离子的异羟肟酸"弹头"、适配插入区II形成的隧道的疏水性部分从而赋予特异性。所有这些抑制剂都与底物竞争活性位点，从而竞争性抑制LpxC。即使对革兰氏阴性病原体具有极高亲和力和强效活性的化合物，如在皮摩尔范围结合的LPC-233，也未能推进至临床使用。相反，LapB不与底物竞争而是以变构方式抑制LpxC。深入理解LpxC变构调控可能促成靶向调控界面而非催化锌结合位点的下一代抑制剂的开发，可能产生具有改进治疗潜力的新颖骨架。
## 结论性评述
过去数十年，在阐明LpxC调控以及更广泛的脂多糖生物合成和外膜稳态调控机制方面取得了实质性进展。结构、遗传和生化研究已确定FtsH/LapB/YejM途径的核心作用、底物通量控制、脂多糖/磷脂/肽聚糖合成之间的协调以及酶学调控的新兴模式。然而，关于LpxC调控的若干关键问题仍有待解决：来自不同细胞区室的信号如何整合，FabZ和其他代谢酶如何超越底物竞争影响LpxC稳定性，肽聚糖合成如何影响LpxC，LpxC丰度及其酶活性如何单独和共同调控，以及其去乙酰化活性如何受变构调控。解决这些问题将推进对脂多糖稳态的理解，并可能揭示针对革兰氏阴性病原体的新治疗策略。
